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氧化石墨烯,即单层的氧化石墨,是一种性能优异的功能材料并且在能源、化工等领域有广阔的应用前景。在化工生产中,氧化石墨烯经过还原可以作为催化剂衬底来高分散的锚定金属原子或团簇,起到调控催化剂性能的作用。我们利用第一性原理方法,应用热力学相图探讨了氧化石墨烯空缺的稳定性和结构演化过程。通过计算,我们得出以H化学势(μH)为横坐标,O化学势(μO)构为纵坐标的氧化石墨烯相图。相图中的大部分被石墨烯占据,当满足μH+μO>-2.52 e V时生成H2O,占据相图的右上角。氧化石墨烯存在于μO值比较高而μH值比较低的富氧环境下。相比较而言,有空缺结构的氧化石墨烯比氧化石墨烯稳定,生成过程对μO和μH的要求也相对较低,说明空缺氧化石墨烯更加容易形成。空缺上如果包含碳碳成键方式饱和悬挂键,体系能量升高,相应空缺结构不稳定;如果通过和O成键饱和悬挂键,体系能量降低,其中形成氧桥的结构是最稳定的。生成5-9型的空缺结构之后体系能量升高1.99 e V。形成含有两个C=O结构12元碳环型空缺之后体系能量降低1.22 e V。如果空缺结构包含柔性C-O-C基团,体系能量降低1.68 e V。从单空缺生成双空缺,体系能量进一步降低,与完整的氧化石墨烯相比,双空缺的能量降低2.70 e V到3.70 e V。O和OH在氧化石墨烯表面的扩散能垒分析表明,O向三个不同位置的扩散能垒分别是3.10 e V,2.10 e V以及2.42 e V,而OH的扩散能垒为2.56 e V,说明O和OH在氧化石墨烯表面非常稳定,扩散很难发生。由于缺少O和OH的参与,贫氧条件下氧化石墨烯中的双空缺很难继续生长。